四川盆地西南缘五峰组—龙马溪组页岩气形成条件与有利区优选

何江林，刘 伟，杨 平，余 谦，王 剑，汪正江，陆俊泽，秦 川

（1.中国地质调查局成都地质调查中心，四川 成都 610081；2.国土资源部沉积盆地与油气资源重点实验室，四川 成都 610081）

引言

我国页岩气资源调查工作始于2005年［1］，截止目前已取得了涪陵［2］、长宁［3］等一系列重大突破，实践证明四川盆地及周缘五峰组—龙马溪组是我国页岩气勘探的重点层系［4］。四川盆地西南缘五峰组—龙马溪组富有机质泥页岩发育［5］。近年来，威远地区和长宁地区志留系获得商业性气流，四川盆地西南缘志留系龙马溪组已成为四川盆地一重要的页岩气勘探区［6］。本文以四川盆地西南缘内的矿权空白区为重点，结合区内露头和钻井等资料，对该区五峰组—龙马溪组内页岩气富集条件进行分析，以期为我国页岩气勘探开发提供有益借鉴。

1 地质背景

四川盆地位于扬子地台西北缘，四周被龙门山、米仓山、大巴山等造山带所围限，盆地面积约为19×104km2（图1a）。该盆地划分为7个次一级构造带，包括川东南坳陷、川西北坳陷、川中古隆起、龙门山褶皱带、米仓山隆起、大巴山褶皱带、湖南-湖北-贵州褶皱带、峨眉-凉山褶皱带［7］。四川盆地西南缘主要处于峨眉-凉山褶皱带。该褶皱带内断裂发育，断裂以逆断层和走滑断层为主，断面主体向西倾，其大多断入元古界地层。为断裂切割的地块内构造平缓，构造幅度小，地层相对平缓。研究区内褶皱背斜紧闭、向斜宽缓，断裂与褶皱密切伴生，可大致分为南北走向构造和北东走向构造两组。其中北东向构造区主要位于刹水坝-马颈子断层以东地区，区内以褶皱构造为主，断裂不甚发育。褶皱轴线大致呈北东或北东东向平行排列，一般枢纽起伏较大，背斜较紧闭陡窄，向斜相对平缓宽阔，甚至形成开阔的构造盆地。断裂以南北向为主，多为断面西倾的高角度逆冲断层。区内主要发育的地层有震旦系、寒武系、奥陶系、志留系下统、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系和下新生界地层，地表以二叠系玄武岩出露为主（图1b）。钻探证实五峰组—龙马溪组黑色页岩厚度大、分布广泛［8］。

图1 四川盆地西南缘地质概图Fig.1 Generalized geological map of the southwestern margin of the Sichuan Basin

2 川西南页岩气富集条件

现有研究表明，页岩气的形成与富集主要受泥页岩厚度、岩性组合、有机质丰度、类型、成熟度、埋深、顶底板条件、泥页岩储集物性等因素控制［3，6，9-14］。根据区内大量剖面和钻探等资料，结合前人资料，对研究区内龙马溪组页岩的页岩气形成条件进行详细研究。

2.1 岩性特征

晚奥陶世五峰期至早中志留世龙马溪期，由于受康滇古陆、川中古陆隆起、黔中及江南古隆起的围限，在四川盆地及周缘形成了一个向北东开口的浅海陆棚沉积的古地理格局［2，15］。四川盆地西南缘主体处于深水陆棚至浅水陆棚区，其深水陆棚主要发育于研究区东北部，水体向西南和南侧逐渐变浅，砂质含量逐渐增高（图2）。研究区底部笔石页岩中见较多硅质放射虫化石，但由龙马溪组底部向上随着水体的变浅，造成笔石和硅质放射虫化石含量具有自下而上逐渐减少的趋势。岩层的岩性向上也呈规律性的变化，总体具有向上TOC降低、粉砂质、灰质含量逐渐增大的特征［16］。区内五峰组—龙马溪组富有机质泥页岩厚度较大，整体从西南向东北加厚，其最大厚度大于90m，平均厚度多在30m以上（图3）。

2.2 有机地球化学特征

图2 四川盆地西南缘五峰组—龙马溪组沉积期岩相古地理图Fig.2 Sedimentary facies and palaeogeographic map of the southwestern margin of the Sichuan Basin during the deposition of the Wufeng Formation-Longmaxi Formation

图3 四川盆地西南缘五峰组—龙马溪组富有机质泥页岩厚度对比图Fig.3 Correlation of the organic matter-rich shale thickness in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation on the southwestern margin of the Sichuan Basin

图4 四川盆地西南缘五峰组-龙马溪组TOC等值线分布图Fig.4 Contour map of the total organic carbon contents in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation on the southwestern margin of the Sichuan Basin

研究区内200余件岩心和露头样品测试结果显示，区内五峰组—龙马溪组有机碳含量分布于0.12% ～6.49%，算数平均值约2.06%。岩心样品有机质含量较高，普遍高于2.5%。其中五峰组有机质含量相对偏低，主要分布于0.9% ～3.05%；龙马溪组底部有机碳较五峰组富集，主要分布于1.0%～6.49%。平面上，有机碳高值区主要位于研究区东北部雷波-永善一带，其有机质含量主体高于4.0%（图4）。向南部和西部逐渐降低，其最小值出现在南部和西部，与其沉积时期水体深度变浅，水动力作用增强有密切关系。

研究区内29件富有机质泥页岩干酪根显微组分分析表明，研究区富有机质页岩干酪根主要包括4种显微组分，即腐泥组、沥青组、镜质组和惰质组，以腐泥组占优势，含量70% ～93%，平均81.1%，其次为沥青组，含量7% ～26%，平均18.1%，干酪根类型均为Ⅰ型。

研究区内15件富有机质泥页岩沥青反射率BRo为3.04% ～3.63%，平均3.39%，转换为等效镜质体反射率（VRo）为 2.38%～2.76%，平均2.61%。位于五角堡背斜的新地1井5件样品150个测点，结果显示沥青反射率BRo略高，为3.41% ～3.67%，平均3.55%；等效镜质体反射率（VRo）为2.62% ～2.80%，平均2.71%。研究区内五峰组—龙马溪组富有机质泥页岩主体处于深部高温生干气阶段，利于页岩气的生成。

2.3 储集特征

2.3.1 矿物组成

研究区内68件样品X射线测试结果显示，研究区内五峰组—龙马溪组页岩内石英、长石、碳酸盐岩等脆性矿物丰富，介于56% ～92%之间，平均含量约80%，黏土矿物含量8% ～44%。其中石英含量最为丰富，为17% ～80.2%，主要分布于28%～50%。五峰组内石英含量较高，平均约40%。在苏田剖面（图1）中，其个别样品石英含量可高达80.2%。龙马溪组石英含量较低，平均约35%，个别样品可高达66%。整体上，研究区内目标层中脆性矿物发育，利于微裂缝等发育，有助于泥页岩内裂缝型储集空间发育（图5）。

2.3.2 储集物性特征

页岩储层是低孔、超低渗储集岩，孔隙度介于4.0% ～6.5% 之间，渗透率小于 0.0001mD［6］。四川盆地西南缘100余件露头和岩心样品覆压孔渗、氦孔隙度和脉冲渗透率测定结果显示，区内富有机质泥页岩的孔隙度主要分布于0.50%～11.36%，平均3.85%。横向渗透率分布于0.0162～77.3294md之间，其中大于0.1md的样品比重约5%，纵向渗透率为0.0001～1.79 md，同一样品的横向渗透率常高于垂向渗透率两个数量级。整体来看，该区五峰组—龙马溪组富有机质泥页岩段具有良好的页岩气储集能力。

图5 云荞剖面五峰组—龙马溪组优质段矿物组分Fig.5 Mineral compositions in the Yunqiao section of the Wufeng Formation-Longmaxi Formation in northeastern Yunnan

2.3.3 含气性

页岩含气量是评价页岩气资源潜力与衡量目标区是否具有经济开采价值的重要指标。涪陵礁石坝地区4口井总含气量介于0.63～9.63 m3／t，平均 4.61 m3／t［17］。总含气量大于 2.0m3／t 的页岩气层段最大厚度达42 m［2］。川南地区含气量在0.30～5.09 m3／t，平均 1.85 m3／t；威远地区为 0.30 ～5.09 m3／t，平均 1.82 m3／t；长宁地区为 0.90 ～3.50 m3／t，平均 1.93 m3／t［6］。由于钻井工艺、施工条件、损失气量计算方法等差异，导致目前页岩含气量的可比性较弱。为尽量减少人为主观影响，在前期页岩气地质调查过程中，主要以岩心现场解析气量大小作为评价页岩含气性的重要参数。新地2井现场18小时的解析气量最大值达3.38 m3／t，其中＞2.0 m3／t页岩气层段厚约30 m（图6）。在同等现场解析条件下，新地1井现场解吸气量最大值达1.4 m3／t。表明四川盆地西南缘五峰组—龙马溪组富有机质泥页岩含气性良好。

2.4 顶底板条件

顶底板条件是页岩气与常规气在保存条件上最大的差异［18］。顶底板为直接与含气页岩层段接触的上覆及下伏地层。一方面对页岩气的封存起重要作用，另一方面也影响着页岩压裂改造效果。顶底板可以是泥岩、页岩、致密砂岩、碳酸盐岩等任何岩性，其与页岩气层间的接触关系和性质的好坏（厚度、横向连续性、物性和突破压力等）对页岩气的保存条件非常关键。四川盆地西南缘五峰组—龙马溪组页岩气层顶、底板与页岩气层为连续沉积，顶、底板厚度大、展布稳定、岩性致密、突破压力高、封隔性好。五峰组—龙马溪组底部页岩气层顶板为深灰色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩（图3），厚度上百米。在永善县云荞和苏田剖面（图1b）中，优质段顶板突破压力达到13.95～17.85 mPa。页岩气层底板为临湘组和包套组连续沉积的深灰色含泥瘤状灰岩、灰岩等，总厚度30～40 m，区域上分布稳定，空间展布范围较广。孔隙度平均值约1.58%，渗透率平均值0.0017mD，地层突破压力为64.5～70.4mPa［17］。以上特征反映了五峰组—龙马溪组一段页岩气层顶底板具有较好的封隔效果。

2.5 地层压力

地层压力是指岩石孔隙中的流体压力，异常高压有利于页岩气成藏与有效开发。美国热成因页岩气盆地中页岩地层压力为正常－异常高压，如Haynesville，Eagle Ford，Barnett，Marcellus 页岩压力系数分别为 2.00、1.33、0.96 ～1.16、0.93 ～1.56［6］。尽管四川盆地西南缘目前无志留系实测压力资料，但在绥江-永善地区东北边的威201井压力系数为0.92；川南的昭104井压力系数为1.01；阳201-H2井压力系数为2.2；宁201-H1井压力系数为2.03；永福1井龙马溪组优质段埋深2600～2670 m，压力系数为1.55；民页1井龙马溪组优质段埋深3000～3100m，压力系数为1.50；新地1井五峰组—龙马溪组优质段埋深1205～1319m，钻进过程中泥浆比重1.03；新地2井五峰组—龙马溪组优质段埋深 1900～2070m，钻进过程中泥浆比重1.05。同时，现今四川盆地西南缘雷波、马边、永善、大关一带强震频繁，这些强震的地理分布大致为NS～NNW 向，构成了马边-永善-大关强震带［17］。近年来，该地震带地震频发，且区内断层以逆断层为主，表明该区内应力仍在不断集中。由此判断，部分地区龙马溪组可能存在异常高压，有助于页岩气保存。

图6 新地2井目标层含气性特征Fig.6 Column showing the gas contents in the key shale gas strata of XD-2 well in northeastern Yunnan

3 有利区优选

根据我国页岩气勘探开发成功经验，综合考虑目标层段厚度、TOC、孔隙度、含气量、地层压力、脆性指数、埋深等因素［9］，对比研究认为云荞、木杆、高桥等地区是四川盆地西南缘五峰组—龙马溪组页岩气勘探开发的有利区（图7）。

3.1 云荞地区

该区位于云南永善县至云南永善县云荞乡一带，其主体位于永盛向斜西南端，向斜西侧和东南侧五峰组—龙马溪组出露。西侧受刹水坝-马颈子断裂控制，东南侧受背斜挤压，为永善县南侧应力集中区。区内五峰组—龙马溪组主要沉积于深水陆棚的炭质粉砂泥棚微相。目标层岩性为灰黑色炭质泥页岩、灰黑色钙质泥页岩夹泥灰岩透镜体，区域分布稳定。富有机质泥页岩（TOC＞2.0%）厚度主体位于40～90m之间，TOC介于1.0% ～4.0%之间，等效镜质体反射率（VRo）大于2.0%；石英含量25% ～38%，目标层埋深500～2800 m，据露头样品测试结果，其现场解析气量大于0.5 m3／t，有利区面积约158 km2。地表交通、水源条件良好，具有页岩气勘探开发前景。

3.2 木杆地区

该区位于云南大关县木杆镇一带，其主体为木杆向斜，向斜东北部受关村断裂控制，西部受背斜影响，目标层出露，南部背斜紧闭，构造应力集中。有记载的地震资料显示，木杆向斜东部和南部断裂附近地震频发，最大一次强震于1974年发生于木杆向斜南部，震级7.1级［19］，表明该区处于构造应力集中区。同时，新地2井良好的现场解析气显示，表明该区地震对其目标层的含气性破坏程度有限。五峰组—龙马溪组主要沉积于深水陆棚的炭质粉砂泥棚和炭质泥粉砂棚微相。目标层岩性为灰黑色炭质泥页岩、灰黑色钙质泥页岩夹泥灰岩透镜体，区域分布稳定。富有机质泥页岩（TOC＞2.0%）厚度大于100 m，TOC介于2.0% ～3.0%之间，等效镜质体反射率（VRo）＞2.0%；石英含量 25% ～38%，目标层埋深500～2500 m，其现场解析气量在1.0～3.38 m3／t之间，有利区面积约142 km2。地表交通、水源条件良好，具有良好的页岩气勘探开发前景。

3.3 高桥地区

图7 四川盆地西南缘五峰组—龙马溪组页岩气有利区分布图Fig.7 Distribution of the shale gas favourable areas in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation on the southwestern margin of the Sichuan Basin

该区位于云南大关县高桥乡至寿山乡一带，其主体位于勺寨向斜东北部，其北西侧受莲峰断裂控制，向斜构造轴线近似呈北东向，其内断层发育，南北走向的右旋走滑断层为主，该区内构造应力复杂，局部走滑断层切割的断块内应力集中，具备一定的超压发育条件。五峰组—龙马溪组主要沉积于浅水陆棚的含炭质灰粉砂泥棚和含炭灰泥粉砂微相。目标层岩性为灰黑色炭质粉砂质泥岩、深灰色炭质泥质粉砂岩，区域上，其富有机质泥页岩向南减薄，砂质含量逐渐增高。富有机质泥页岩（TOC＞2.0%）厚度多处于30～50 m，TOC介于1.0% ～3.0%之间，等效镜质体反射率（VRo）＞2.0%，石英含量30% ～50%，目标层埋深500～3500 m，其现场解析气量大于0.5 m3／t，有利区面积约686 km2。地表交通、水源条件较差，具有一定的页岩气勘探开发前景。

4 结论

（1）四川盆地西南缘五峰组—龙马溪组具备有利的页岩气形成条件。五峰组—龙马溪组有机碳含量分布于0.12% ～6.49%，平均值约2.06%，富有机质泥页岩厚度大，平均厚度多在30m以上，局部大于90m，主要位于龙马溪组下部。富有机质泥页岩内干酪根全为I型，热演化程度高，等效镜质体反射率（VRo）为2.62% ～2.80%，平均2.71%，处于深部高温生干气阶段。泥页岩内脆性矿物丰富，介于56%～92%之间，平均含量约80%。孔隙度主要分布于0.50% ～11.36%，平均3.85%。横向渗透率分布于0.0162～77.3294 mD之间，纵向渗透率为0.0001～1.79 mD。钻井揭示其现场解析气量最大值达3.38 m3／t。区内目标层埋深小于3500 m，具有一定的页岩气勘探开发前景。

（2）云荞、木杆、高桥地区是四川盆地西南缘3个较为有利的页岩气勘探开发矿权空白区，其中木杆地区最为有利。

致谢：文本在资料收集和野外过程中得到了成都地质调查中心葛祥英、林家善、刘建清、杨贵来、冯伟明、康建威、梁虹、罗建宁、王晓飞等同志和司机张晓进、邹波的大力支持和帮助，特此表示感谢。

参考文献：

［1］ DAI Jinxing，ZOU Caineng.，DONG Dazhong，et al.Geochemical characteristics of marine and terrestrial shale gas in China ［J］.Marine and Petroleum Geology，2016，76：444－463.

［2］ 郭旭升.涪陵页岩气田焦石坝区块富集机理与勘探技术［M］.北京：科学出版社，2014.

［3］ ZOU Caineng，DONG Dazhong，WANG Yuman，et al.Shale gas in China：Characteristics，challenges and prospects （I）［J］.Petroleum Exploration and Development，2015，42（6）：753－767.

［4］ 邱振，董大忠，卢斌，等.中国南方五峰组-龙马溪组页岩中笔石与有机质富集关系探讨［J］.沉积学报，2016，34（6）：1011－1020.

［5］ 王玉满，董大忠，李新景，等.四川盆地及其周缘下志留统龙马溪组层序与沉积特征［J］.天然气工业，2015，35（3）：12－21.

［6］ 黄金亮，邹才能，李建忠，等.川南志留系龙马溪组页岩气形成条件与有利区分析［J］.煤炭学报，2012，37（5）：782－787.

［7］ LIANG Chao，JIANG Zaixing.，CAO Yingchang et al.Deepwater depositional mechanisms and significance for unconventional hydrocarbon exploration：A case study from the lower Silurian Longmaxi shale in the southeastern Sichuan Basin ［J］.AAPG Bulletin，2016，100（5）：773 －794.

［8］ 李贤庆，赵佩，孙 杰，等.川南地区下古生界页岩气成藏条件研究［J］.煤炭学报，2013，38（5）：864－869.

［9］ ZOU Caing.，DONG Dazhong，WANG Yuman et al.Shale gas in China：Characteristics，challenges and prospects （II）［J］.Petroleum Exploration and Development，2016，43（2）：182－196.

［10］ 郭秀梅，王剑，杨宇宁，等.渝东北地区五峰组-龙马溪组黑色页岩储层特征［J］.沉积与特提斯地质，2015，35（2）：54－59.

［11］ 杨宇宁，王剑.基于灰色关联分析法的页岩气资源丰度敏感性研究［J］.沉积与特提斯地质，2016，36（1）：109－112.

［12］ 杨宇宁，王剑，熊国庆.沉积环境对页岩气储层的控制作用——以渝东北地区五峰组-龙马溪组为例［J］.沉积与特提斯地质，2016，36（3）：91－97.

［13］ 李谋，谢渊，陆俊泽.新疆北部吉木乃坳陷下二叠统卡拉岗组页岩气地质特征初探［J］.沉积与特提斯地质，2016，36（2）：67－74.

［14］ 邱振，邹才能，李建忠，等.非常规油气资源评价进展与未来展望［J］.天然气地球科学，2013，24（2）：238－246.

［15］ 郭彤楼.涪陵气田发现的启示与思考［J］.地学前缘，2016，23（1）：29 －43.

［16］ 魏祥峰，赵正宝，王庆波，等.川东南綦江丁山地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气地质条件综合评价［J］. 地质论评，2017，63（1）：153－164.

［17］ GUO Tonglou，ZHANG Hanrong.Formation and enrichment mode of Jiaoshiba shale gas field，Sichuan Basin［J］.Petroleum Exploration and Development，2014，41（1）：31 －40.

［18］ 胡东风，张汉荣，倪楷，等.四川盆地东南缘海相页岩气保存条件及其主控因素［J］.天然气工业，2014，34（6）：17－23.

［19］ 韩德润.马边-永善地震带构造形式及地震特征［J］.地震地质，1993，15（3）：253－260.